輸電線路微風(fēng)振動及其防治方法

鄭建欣 呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473000）

1 引言

導(dǎo)線微風(fēng)振動是由于風(fēng)的激勵而引起導(dǎo)線振動的一種現(xiàn)象。在0.5～10 m/s的穩(wěn)定風(fēng)速作用下，導(dǎo)線背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生上下交替的漩渦，引起上下交變的力作用于導(dǎo)線上產(chǎn)生振動。當(dāng)漩渦頻率與導(dǎo)線固有頻率一致時，在諧振下產(chǎn)生較大振幅的持續(xù)振動。其中導(dǎo)線的振幅一般不大于導(dǎo)線直徑的2～3倍，振動的頻率范圍為3～120 Hz。振動持續(xù)時間較長，一般為數(shù)小時，有時可達(dá)數(shù)天。

風(fēng)從垂直于架空線的軸線方向吹過時，會在架空線背后產(chǎn)生氣流漩渦。最早闡明漩渦理論的是科學(xué)家 T.V.卡門（Th.Von.Karnan），故這種氣流漩渦又稱為卡門漩渦（馮卡門漩渦Von Karman vortices），通常稱為卡門渦街，是流體力學(xué)中重要的現(xiàn)象，在自然界中?？捎龅?，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，由于非線性作用，形成“馮卡門漩渦”,如水流過橋墩，風(fēng)吹過高塔、煙囪、電線等都會形成,如圖1所示。

漩渦在架空線路的上下方交替發(fā)生和交替脫離遠(yuǎn)去，造成架空線路上下方氣流流線的不對稱，結(jié)果便產(chǎn)生一個周期性的交變作用力施加給架空線路，引起架空線路在垂直方向上產(chǎn)生振動，其振動頻率為3～120 Hz，幅值為架空線路直徑的數(shù)量級。引起這種振動的風(fēng)速通常在0.5～10 m/s的范圍內(nèi)，故稱為微風(fēng)振動。超過允許幅值的微風(fēng)振動容易導(dǎo)致架空線路疲勞斷股、金具及桿塔構(gòu)件磨損或疲勞破壞等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至造成架空線路的斷線事故，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全運行。

2 微風(fēng)振動強(qiáng)度及其影響因素

振動強(qiáng)度是指振動幅值及其振動延續(xù)時間的多少，是衡量架空線在壽命期內(nèi)是否產(chǎn)生振動疲勞斷股的重要判據(jù)。影響架空線路微風(fēng)振動強(qiáng)度的因素主要有風(fēng)速及風(fēng)向、地形及地物、檔距長度、導(dǎo)線張力、導(dǎo)線規(guī)格及結(jié)構(gòu)等。

2.1 風(fēng)速及風(fēng)向的影響

維持架空線振動的下限風(fēng)速一般取0.5m/s。風(fēng)速增大以后，與地面的摩擦阻力破壞了氣流的層流性或均勻性，使之不能出現(xiàn)卡門氣流漩渦，風(fēng)速上限值隨架空線懸掛點離地面高度的增加而提高，通常達(dá)到 8～10m/s。架空線能否產(chǎn)生穩(wěn)定振動還與風(fēng)向有關(guān)，風(fēng)向與導(dǎo)線軸線夾角在 45°～90°時，易產(chǎn)生穩(wěn)定振動。在 30°～45°時，振動的穩(wěn)定性小。在20°以下時，一般不出現(xiàn)振動。

2.2 地形及地物的影響

地形、地物（合稱地區(qū)條件）對振動強(qiáng)度有顯著地影響。產(chǎn)生振動的必要條件是氣流的均勻性即風(fēng)向的恒定性。平坦、開闊地區(qū)有利于氣流的均勻流動，易于形成振動條件。地形交錯起伏或線路附近有建筑物、樹林等地物，對氣流產(chǎn)生摩擦，破壞氣流的均勻性，不易形成振動條件。

風(fēng)傳輸給架空線路的振動能量要與架空線體系消耗的能量平衡。據(jù)此可以求得最大的振幅值。由于風(fēng)傳輸給導(dǎo)線的能量受到地形（平地、丘陵地區(qū)及山區(qū)等）及地物（水面、草地、樹木及建筑物等）的影響，實際的振動幅值往往小于計算得出的最大振幅。在實際工程中一般采用“地形系數(shù)”或“振幅系數(shù)”予以修正。例如，當(dāng)線路通過地形平坦又臨近大型水面（河流或湖、海）的地區(qū)，地形系數(shù)取0.8～1.0。當(dāng)線路通過有些樹木的平坦地帶，地形系數(shù)取為0.15～0.2。

2.3 檔距長度的影響

微風(fēng)振動以一個檔距為獨立的振動單元。建立穩(wěn)定振動的條件之一是檔距長度等于半波長的整數(shù)倍。檔距越大，能滿足半波數(shù)為整數(shù)倍的微風(fēng)振動頻率值也就越密集，建立穩(wěn)定振動的概率越大。另外，風(fēng)傳給架空線的振動能量與檔距長度成正比，檔距越大，防振動難度越大。

2.4 架空線張力的影響

為了說明架空線張力對振動的影響，引入了平均運行應(yīng)力（通常用EDS表示）的概念，它是指年平均氣溫及無外荷載條件下的架空線水平應(yīng)力，習(xí)慣上將此時架空線張力值用架空線極限強(qiáng)度（通常用UTS表示）的百分?jǐn)?shù)來表示。提高架空線張力不僅會增加振動強(qiáng)度（振幅和振動次數(shù)），而且會降低架空線的疲勞極限。架空線路張力提高之后，其自阻尼作用下降，振幅增大，振動頻率延續(xù)時間也隨之增加，振動次數(shù)增多。

2.5 架空線規(guī)格及結(jié)構(gòu)的影響

風(fēng)能輸入隨導(dǎo)線直徑的增大而增大，振動頻率又隨直徑增大而降低，而低頻范圍的導(dǎo)線自阻尼水平又相對較低。這使得大直徑導(dǎo)線振動嚴(yán)重，增加防振難度。為此，可采用分裂導(dǎo)線來降低振動強(qiáng)度。由于在分裂導(dǎo)線上安裝間隔棒以后，構(gòu)成了一種新的振動體系。間隔棒阻尼作用及其在各子導(dǎo)線間的牽扯作用使得分裂導(dǎo)線的振動次數(shù)及動彎力均比單根導(dǎo)線減小，每相分裂的根數(shù)越多則減小也越多。大直徑導(dǎo)線層數(shù)和股數(shù)增多，其自阻尼能力隨之增強(qiáng)。但對于擴(kuò)芯導(dǎo)線，截面與重量比相對較小，則易于振動。間隙型導(dǎo)線層間存在微小間隙，在振動時層間碰撞會消耗一定耗量，其阻尼性能優(yōu)于普通導(dǎo)線，相同條件下振動強(qiáng)度要低。

3 微風(fēng)振動防治措施研究

3.1 架空線路微風(fēng)振動容許值

架空線的振動疲勞斷股是振動積累作用的結(jié)果，架空線的振動強(qiáng)度一般都用動彎應(yīng)變來衡量。通常認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)變不超過某一定數(shù)值時，架空線路在整個使用壽命周期內(nèi)不會發(fā)生斷股，這個數(shù)值就是彎曲應(yīng)變?nèi)菰S值。

3.2 防振裝置

防振裝置也稱阻尼器或防振器，是專門為防止微風(fēng)振動引起導(dǎo)線疲勞斷股，而在導(dǎo)線上安裝的一種防振部件。大多數(shù)防振裝置的防振原理是將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能或聲能而發(fā)散掉，從而降低導(dǎo)線的振幅。還有一些防振裝置是通過增加導(dǎo)線剛度或提高導(dǎo)線阻尼作用達(dá)到防振的目的。常用的防振裝置主要有防振錘、護(hù)線條、阻尼線、防振鞭等。

1）防振錘

防振錘是懸掛在架空線上，靠近檔距端部，用以抑制或減小微風(fēng)振動的錘狀裝置，是目前應(yīng)用最為廣泛的防振裝置。防振錘通常由重錘、鋼絞線、線夾三部分組成。防振錘的阻尼性能主要取決于高強(qiáng)度鋼絞線的彈性及重錘質(zhì)量、錨接工藝等。架空線發(fā)生微風(fēng)振動時，帶動防振錘的兩個重錘振動，進(jìn)而使鋼絞線股間相對滑移而產(chǎn)生摩擦阻尼，實現(xiàn)對架空線振動能量的消耗。防振錘重錘的運動形式包括自身回轉(zhuǎn)和上下擺動兩種形式，通過改變重錘形狀及對稱性可以獲得2～5個諧振頻率，且在諧振頻率附近振動時消耗的功率最大。防振錘的特性與重錘重量、偏心距、鋼絞線直徑和長度有關(guān)，故應(yīng)該根據(jù)架空線路的規(guī)格選配不同的防振錘。當(dāng)架空線截面、質(zhì)量增加時，振動的危險頻率移至較低頻譜段，故應(yīng)對較重架空線采用諧振頻率低、質(zhì)量較大的防振錘，而對較輕的架空線則相反。1925年，G.H.Stockbridge在吸收貝特阻尼器功能的基礎(chǔ)上，發(fā)明了第一只防振錘。后來，按照這個原理設(shè)計的防振錘，統(tǒng)稱為司托克布里奇（Stockbridge）防振錘。防振錘按重錘位置對稱與否可分為FD（對稱）型和FR（非對稱）型，線夾形式包括夾板式、鉸鏈?zhǔn)胶皖A(yù)絞式，錘頭形狀包括圓桶形，音叉形、狗骨形、L型等。通過重錘形狀、對稱形式和線夾類型的不同組合，可以形成多種形式的防振錘。

2）護(hù)線條

用鋁合金等金屬材料制成螺旋形的預(yù)絞絲，纏繞在架空線外圈，主要作用是增加線夾出口附近的架空線剛度和分擔(dān)架空線張力，減少彎曲應(yīng)力及線夾處受到的擠壓應(yīng)力和磨損等，并使架空線在懸垂線夾中集中現(xiàn)象得到改善。護(hù)線條可使導(dǎo)線振動時受到的動彎應(yīng)力減少20%～50%。護(hù)線條的減振效果不如防振錘顯著，故在振動強(qiáng)烈及平均運行張力高的線路上不能單獨使用護(hù)線條。

護(hù)線條是用與導(dǎo)線相同材料制成的，形狀是中間粗兩頭細(xì)，在懸掛點使用專用的護(hù)線條，當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生振動時，可以防止懸垂線夾出口處發(fā)生劇烈的波折，護(hù)線條不僅可以保護(hù)導(dǎo)線，而且能夠減少導(dǎo)線的振動。

預(yù)絞絲護(hù)線條是用一種有彈性的鋁合金絲制成的螺旋狀制品，每組有13～16根，其彎扭捻角在20°左右，保護(hù)導(dǎo)線的作用等同于護(hù)線條。

3）阻尼線

阻尼線亦稱貝特型防振器，取用相當(dāng)長度的一端絞線（通常與導(dǎo)線規(guī)格相同）懸掛在懸垂線夾兩側(cè)導(dǎo)線下方，每隔一定距離采用線夾與導(dǎo)線固定，形成一系列花邊狀，也可采用不同的尺寸構(gòu)成多種多樣的型式。導(dǎo)線振動時迫使阻尼線運動而消耗能量，其消耗能量的多少與阻尼線的總長度及花邊數(shù)目等因素有關(guān)。阻尼線有較好的防振效果，導(dǎo)線發(fā)生高頻振動時，其防振效果優(yōu)于防振錘。阻尼線的長度與弧垂的確定，應(yīng)使導(dǎo)線在最大振動波和最小振動波時均能起到同樣的消振效果。對于一般檔距，阻尼線的總長度可以取7～8米左右，導(dǎo)線線夾每側(cè)安裝三個連接點。裝于導(dǎo)線的阻尼線，由于接點有電流流過，嚴(yán)重時會將接點處的導(dǎo)線燒壞。因此必須把阻尼線的一側(cè)用絕緣材料做成的卡子固定或用絕緣材料隔開，使阻尼線成開路狀態(tài)，阻止分流流過。

4）防振鞭

由高強(qiáng)度 PVC預(yù)制成不等徑螺旋狀的防振裝置。防振鞭特別適用于光纖導(dǎo)線，如ADSS和OPGW，也適用于低電壓（≤132kV）線路和小截面導(dǎo)線（外徑≤19毫米）。螺旋型防振鞭在架空線振動時，能產(chǎn)生與架空線運動方向相反的運動，從而在各種振動頻率下減少架空線的振動幅度，進(jìn)而抑制架空線的振動。

4 防振裝置安裝設(shè)計

通過綜合考慮輸電線路的工程參數(shù)、所在地區(qū)的氣象及地形特點、以往的運行經(jīng)驗等因素，選擇防振裝置并進(jìn)行合理布置，從而將導(dǎo)地線的微風(fēng)振動水平控制在安全范圍以內(nèi)。防振裝置的安裝設(shè)計包括防振裝置的型號規(guī)格、防振裝置的安裝數(shù)量以及防振裝置的安裝尺寸三個方面。

4.1 防振裝置的型號規(guī)格

防振錘和阻尼線是輸電線路防振中主要使用的防振裝置。根據(jù)線路的設(shè)計條件及導(dǎo)線規(guī)格，選擇防振錘的型號，使防振錘的功率特性及振幅特性等滿足防振設(shè)計的要求。目前，導(dǎo)線規(guī)格已形成系列化，線路的主要設(shè)計條件已在規(guī)程中規(guī)定，適應(yīng)這些條件的防振錘型號已成為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。一般情況下，線路設(shè)計者只需按規(guī)定限制防振錘型號即可。對阻尼線則沒有定型的規(guī)格可供選擇，有關(guān)類型、花邊長度及節(jié)點數(shù)目等參數(shù)，需根據(jù)線路設(shè)計的具體條件作臨時決定。

4.2 防振裝置的安裝數(shù)量

對于防振錘需要確定是否安裝及安裝幾個的問題。防振錘的安裝數(shù)量現(xiàn)有兩種表示方法：一種是懸垂（耐張）線夾的一側(cè)安裝幾個；另一種是以每一檔距內(nèi)安裝幾個來表示。后一種方法比較明確，因為有不少國家提出了在每個檔距安裝一個防振錘的防振措施，稱為半檔防振方法。對于阻尼線的數(shù)量問題主要確定其類型、總長度及節(jié)點數(shù)目等，這方面尚沒有成熟的經(jīng)驗。對于線路上一些大檔距，往往采用阻尼線與防振錘聯(lián)合的保護(hù)方式，情況更為復(fù)雜。

4.3 防振裝置的安裝尺寸

為獲得最佳的防振效果，應(yīng)計算防振錘的安裝距離，即防振錘與懸垂（耐張）線夾之間的距離；當(dāng)線夾一側(cè)安裝兩個及以上的防振錘時，還需要確定防振錘之間的距離，提出等距離安裝和不等距離安裝的兩種方法。對于阻尼線，則需要確定花邊長度、弧垂大小及布置形式等問題。

4.4 大跨越導(dǎo)線防振

輸電線路大跨越工程是線路的資源組成部分，具有檔距大、懸掛點高、跨越水面開闊等特點，水面上空容易形成流風(fēng)，引起導(dǎo)地線振動的風(fēng)速范圍更廣，導(dǎo)地線吸收的風(fēng)能較普通線路大得多，其振動水平也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通線路，且導(dǎo)地線幾乎每時每刻都在振動。因此，大跨越導(dǎo)地線防振裝置通常比較復(fù)雜，需要專門研究和設(shè)計。

（1）大跨越防振方案型式。大跨越導(dǎo)線的防振方案主要有Bate阻尼線、Bate阻尼線+防振錘、交叉阻尼線、防振錘組合、圣誕樹阻尼線等型式。這些防振裝置的基本原理都是改變導(dǎo)線的振動模式，通過自身的振動消耗系統(tǒng)的振動能量，從而降低導(dǎo)線的微風(fēng)振動水平。其中，Bate阻尼線和防振錘組合的防振方案在我國應(yīng)用最為廣泛。

（2）大跨越防振方案的設(shè)計方法。由于微風(fēng)振動屬于很強(qiáng)的非線性問題，再加上導(dǎo)線在性能上的分散性，單純的理論分析和計算，不足及準(zhǔn)確地確定導(dǎo)線的防振方案，最終的防振方案應(yīng)由模擬試驗確定。防振試驗的目的就是通過試驗優(yōu)選出滿足技術(shù)要求的防振方案，將導(dǎo)地線的微風(fēng)振動水平降低到容許應(yīng)變以下，使導(dǎo)線在整個使用壽命期間內(nèi)不致發(fā)生微風(fēng)振動導(dǎo)致斷股事故。防振試驗主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。

自阻尼試驗。導(dǎo)線的自阻尼是衡量材料自身消耗能量的能力，與導(dǎo)線的材料、結(jié)構(gòu)、絞合程度、張力等有關(guān)，不同導(dǎo)線之間的自阻尼差異較大，需要通過試驗測定。自阻尼特性試驗采用功率法，測量的頻率范圍覆蓋微風(fēng)振動的頻率范圍。通過對自阻尼試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到自阻尼公式，為計算振動強(qiáng)度提供依據(jù)。

防振方案試驗與優(yōu)選。防振方案采用Bate阻尼線+防振錘的聯(lián)合防振措施?？紤]不同長度阻尼線花邊的頻率響應(yīng)范圍，防振方案選擇不同長度花邊的組合，使其在整個微風(fēng)振動頻率范圍內(nèi)均具有良好的耗能減振作用，并對主要振動頻率范圍重點防護(hù)。檔中側(cè)（外側(cè)）小花邊進(jìn)行剝層處理：一方面可以減輕外側(cè)花邊的質(zhì)量，降低花邊線夾導(dǎo)線的動彎應(yīng)變值；另一方面可以改變該花邊的響應(yīng)頻率，改善防振方案的頻響特性。同時在大花邊中安裝防振錘來加強(qiáng)防振方案低頻防振效果，通過防振錘和阻尼線的聯(lián)合使用可使整個防振方案性能達(dá)到最佳。初設(shè)方案要在試驗檔上進(jìn)行試驗改進(jìn)，最終比選出較優(yōu)的方案推薦給工程使用。分裂導(dǎo)線的防振方案還需要在分裂導(dǎo)線上進(jìn)行復(fù)核試驗。

微風(fēng)振動現(xiàn)場測振。實際線路的微風(fēng)振動不可能和室內(nèi)模擬實驗完全相一致，為了解導(dǎo)線的微風(fēng)振動水平，檢驗防振裝置的效果，有必要對導(dǎo)線的微風(fēng)振動進(jìn)行現(xiàn)場實測?，F(xiàn)場實測在線路投運后進(jìn)行，在主要夾固點安裝測振儀，連續(xù)監(jiān)測一定時間，獲取測振周期內(nèi)的微風(fēng)振動數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到導(dǎo)線微風(fēng)振動的水平，確定導(dǎo)線微風(fēng)振動是否在容許范圍內(nèi)。

5 其他防治措施

做好運行維護(hù)工作，保證防振設(shè)施和線路各部件處于良好的運行狀況。例如調(diào)整好拉線，避免線路、桿塔本身和拉線系統(tǒng)組成一個彈性系統(tǒng)，及時消除防振錘滑移現(xiàn)象，及時消除阻尼線因扭曲變形而偏離電線的垂直面等現(xiàn)象。